[发明专利]基于白光照明的彩色全息近眼AR显示系统和彩色全息图计算方法

说明书

本发明公开了一种基于白光照明的彩色全息近眼AR显示系统，包括：白光光源、准直透镜、空间光调制器、4f光学滤波系统和AR目镜。还公开了应用于此显示系统的彩色全息图计算方法：对于二维彩色全息图，对彩色图像不同颜色分量分别进行傅里叶变换后，提取有效频谱信息再转化到空域，与对应的参考光干涉编码并叠加得到二维彩色全息图；对于三维彩色全息图，计算彩色三维物体不同角度的彩色投影图像，不同颜色分量分别与对应的点扩散函数卷积后叠加，之后分别与对应的参考光干涉并叠加得到三维彩色全息图。本显示系统可实现白光照明下无散斑噪声的彩色全息近眼AR显示，具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及光学显示领域，尤其涉及白光照明的彩色全息近眼AR显示系统和彩色全息图计算方法。

背景技术

近眼显示头盔或智能眼镜可以实现AR显示(Augmented Reality，增强现实)，AR显示是目前重要的新型显示技术。AR显示能够将虚拟图像与真实环境相融合以实现无与伦比的人机交互体验，在国防安全、工业设计、医疗、教育等领域有着重要的应用价值。

目前AR三维显示主要为双目视差三维显示，通过棱镜、自由曲面AR目镜或波导作为耦合器件，将虚拟图像投影于人眼，而环境光可直接穿透耦合器件进入人眼实现AR显示的目的。对于双目视差三维显示，人眼的聚焦深度和观看虚拟场景时双目视轴汇聚深度的不一致会导致严重的疲劳眩晕等问题，该问题即为所谓的辐辏调节冲突问题。当所显示的图像与人的距离较远时，人眼无需额外聚焦即可看到具有双目视差的三维图像，辐辏调节冲突的影响小。然而，当显示的图像与人的距离近时，辐辏调节冲突问题会变得严重。微软的Hololens AR眼镜及杭州光粒科技推出的AR眼镜均采用双深度光场显示技术实现了近眼AR三维显示。双深度光场显示可一定程度上减弱辐辏调节冲突的影响，但不能完全解决辐辏调节冲突问题。实现无辐辏调节冲突的近眼AR真三维显示，是一个亟需解决的问题。

众所周知，全息显示是基于干涉记录和衍射再现的显示技术，能够实现完整的三维光场重构，被认为是最理想的三维显示技术。然而由于目前微显示器分辨率和像素尺寸的限制，短期内实现多人可同时观看的动态彩色三维显示的条件还不成熟。在现有条件下，满足单眼观看真三维显示的需求已经具有了可能性。通过两片微显示器，分别为人的左眼和右眼成像，实现基于双目的全息真三维显示。

全息显示中，一般使用激光作为照明光源，其再现像存在严重的散斑噪声。并且当使用三色激光实现彩色显示时，三色激光的扩束和合束部分光路复杂，体积庞大，不适合于近眼AR显示。将全息与AR结合，实现紧凑的彩色近眼AR显示系统具有重要的应用价值和研究意义。

发明内容

本发明公开了一种基于白光照明的彩色全息近眼AR显示系统和应用于此显示系统的彩色全息图计算方法。所公开的显示系统结构简单紧凑，能够实现动态彩色二维或三维近眼AR显示，且再现像无散斑噪声。所公开的彩色全息图计算方法，能够计算二维及三维彩色物体的全息图，具有较强的适用性。

本发明公开的一种基于白光照明的彩色全息近眼AR显示系统，包括光源、准直透镜、分光镜、空间光调制器、4f光学滤波系统和AR目镜。

光源：用于提供照明光。

准直透镜：用于对来自光源的照明光进行准直，形成平面波。

分光镜：将照射其上的平面波部分反射用于照明空间光调制器。

空间光调制器：用于载入彩色全息图，对照射其上的平面波进行调制，产生调制的彩色光场。

4f光学滤波系统：包括两个透镜和空间滤波器。在第一透镜的后焦平面上，放置空间滤波器，对经空间光调制器调制后的彩色光场进行滤波，消除零级光及高级衍射光及其它杂散光的影响，在第二透镜后焦平面附近形成二维彩图像或三维彩色图像。